発表のポイント

• ナノサイズの磁石について、走査トンネル顕微鏡を用いて、原子構造に加えて磁石のN極S極の方向を可視化。
• 外部磁場を作用させN・S極の反転を局所領域で観察、ナノ磁石ひとつひとつで磁気異方性エネルギー（MAE)を見積もることに成功。
• 金および銅の表面上で成長させた島状のコバルトの磁性薄膜において、基板を銅から金に変化させるだけでMAEが約2倍変化することを発見。
• MAEは磁石の記録保持力と密接に関係、大きなMAEの発見は微細化が進む磁気記録媒体で問題とされる微細化の限界を解消する可能性。

概要

　東北大学多元物質科学研究所のプニート・ミシュラ研究員、岡博文研究員、米田忠弘教授、三重大学工学研究科の中村浩次准教授らの研究チームは、ナノ磁性材料に関する最も重要な特性である磁気異方性エネルギー（MAE）をナノ構造と同時に可視化・測定することに成功しました。

　磁石が記録媒体として用いられる理由のひとつは、磁石のN・S極を反転させるのに必要なエネルギーが高く、安定性が高いことがありますが、磁気記録の高密度化が進むと、単一ビットあたりの磁性体原子の数が減少し、その反転エネルギーが低下、安定な記録が出来なくなることが大きな問題です。MAEはこの反転エネルギーと関連しており、MAEを増大させることができればナノ磁性体の記録の安定性向上につながります。そのためにはMAEの現象を原子レベルで理解することが必要です。

　今回の測定には原子レベルで磁気特性を測定可能なスピン偏極走査トンネル顕微鏡（SP-STM）の手法を利用し、観察対象として金属基板に成長させた強磁性薄膜であるコバルト2層膜のナノサイズの島を用いました。この薄膜の島は、オセロの駒が白と黒のどちらかが上向く様に、N極・S極のどちらかが表面から飛び出す方向を向いています。外部から磁場を印加した場合、最初磁場と反対を向いていた島も、ある強さの外部磁場の印加で、それと同じ方向に反転します。この外部磁場の強度から、MAEを測定することが可能です。共に非磁性金属である銅と金を基板とした場合、銅と比較して金の基板に成長させたコバルト島には 約2倍のMAEが観察されました。理論計算との比較により、金の大きなスピン軌道相互作用の影響によって コバルトに大きなMAEが観察されたことが理解されました。さらに同様の測定によって、基板に影響された薄膜磁性体の結晶性や、基板からの電子・スピン状態への影響が MAEの決定に大きく関与していることを世界に先駆けて解明しました。今回の解明は、高密度磁気記録の実現や、ナノ材料を用いたスピントロニクスデバイスの構築に貢献すると考えられます。

　本成果は、2017年8月16日に、米国化学会誌「Nano Letters（ナノレターズ）」にJust Acceptedでオンライン掲載されました。

詳細（プレスリリース本文）

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